DE69403916T2

DE69403916T2 - Faltdipol-antenne

Info

Publication number: DE69403916T2
Application number: DE69403916T
Authority: DE
Inventors: Keith Keen
Original assignee: International Mobile Satellite Organization
Current assignee: Inmarsat Global Ltd
Priority date: 1993-09-02
Filing date: 1994-08-31
Publication date: 1998-02-05
Anticipated expiration: 2014-09-01
Also published as: JPH09505696A; WO1995006962A1; AU7540394A; US5821902A; DE69403916D1; EP0716774B1; CN1047473C; CN1132572A; EP0716774A1; US5539414A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Faltdipolantenne und einen Personenrufempfänger, der eine solche Antenne aufweist.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Bei der Auslegung tragbarer Funkeinrichtungen und insbesondere von Personenrufvorrichtungen ist die Größe ein sehr wichtiger Faktor. Bei vielen früheren Personenrufvorrichtungen wurden relativ große Empfangsantennen verwendet, wodurch die Gesamtabmessungen der Vorrichtung erheblich vergrößert wurden. Antennen dieser Baugröße waren in allgemeinen infolge der Verwendung relativ niedriger Hochfrequenz-Ruffrequenzen und auch, um einen angemessenen Empfang der Rufsignale zu gewährleisten, erforderlich. Insbesondere ist eine hohe Antennenverstärkung gewünscht und kann unter bestimmten Umständen tatsächlich erforderlich sein, um die volle Reichweite des Empfängers zu gewährleisten. Einschränkungen hinsichtlich der Größe schließen jedoch die Aufnahme herkömmlicher Antennenanordnungen mit einer hohen Verstärkung in Personenrufempfängern aus, die dafür ausgelegt sind, relativ kompakt zu sein.
Die Größe vieler herkömmlicher Personenrufempfänger machte es erforderlich, sie gewöhnlich durch eine Befestigung am Gürtel oder durch Anordnen in einer Tasche auf der Körperseite zu befestigen. Es ist jedoch neuerdings erwünscht, Personenrufvorrichtungen zu verwirklichen, die ausreichend kompakt sind, um beispielsweise am Handgelenk getragen zu werden. Ein Vorteil am Handgelenk getragener Personenrufempfänger besteht darin, daß sie vor das Gesicht gehalten werden können, wodurch das Betrachten oder eine Einstellung durch den Benutzer erleichtert wird.
Bestehende am Handgelenk getragene Personenrufempfänger enthalten häufig einfache Ringantennen, die auf die Magnetfeldkomponente des Hochfrequenzsignals ansprechen. Bei solchen Antennen ist das Schleifenelement im allgemeinen innerhalb des Handgelenkbands angeordnet. Wenngleich dieser Typ eines Antennensystens gewöhnlich nur eine Mindestleistungsfähigkeit aufwies, ermöglichte er, die Ringantenne innerhalb des Handgelenkbandgehäuses zu verbergen. Diese Anordnung weist jedoch nur dann Vorteile auf, wenn der Befestigungsmechanismus aus einen Handgelenkband oder einer anderen ringartigen Vorrichtung bestehen soll. Es wäre demzufolge wünschenswert, ein Antennensystem zu schaffen, das in einen Personenrufempfänger mit kompakten Abmessungen verwirklicht werden kann und bei den es nicht erforderlich ist, von vornherein einen bestimmten Befestigungsmechanismus anzunehmen.
Wie vorhergehend erwähnt, waren in herkömmliche erdgestützte Personenrufvorrichtungen eingebaute Antennen gewöhnlich insbesondere infolge der Verwendung relativ niedriger Ruffrequenzen (beispielsweise < 1 GHz) recht groß. Bestehende, beispielsweise bei 1,5 GHz (Empfang)/1,6 GHz (Senden) oder 2,5 GHz arbeitende Satelliten-Datenübertragungssysteme ermöglichen Personenruf-Empfängerantennen mit einer geringeren Baugröße. Bei diesen Frequenzen arbeitende Antennen müßten ausreichend geringe Verstärkungen aufweisen, um breite Strahlungsmuster auszusenden, wodurch der Enpfang von Rufsignalen aus einem breiten Winkelbereich ermöglicht wird. Dies ist erforderlich, da ein erdgestützter Empfang von Satellitensignalen nicht nur auf Sichtlinienübertragungen beruht, sondern auch auf Übertragungen, die von Gegenständen, wie Gebäuden, Straßen usw., gestreut und reflektiert werden. Es wäre daher wünschenswert, eine kompakte Antenne zu schaffen, durch die Rufsignale von Datenübertragungssatelliten empfangen werden können.
Personen mit angemessenen Kenntnissen auf dem Fachgebiet werden erkennen, daß die Formen der Übertragungsverstärkungs- und Empfangsempfindlichkeitskennlinien für eine gegebene Antenne gleich sind. Der Begriff "Strahlungsmuster" bedeutet hier daher sowohl die Übertragungsverstärkungs- als auch die Empfangsempfindlichkeitskennlinie einer Antenne.
In US-A-3 813 674 ist eine Dipolschlitzantenne mit einen dahinter angeordneten Hohlraum für eine Verwendung beim Senden zirkular polarisierter Signale aus der Außenhaut eines Flugzeugs beschrieben. Die Antenne weist einen an einer Seite des Substrats gebildeten Faltdipol und eine auf der anderen Seite des Substrats gebildete Streifenleitungszuführung auf. Ein das Faltdipolelement umgebender Leiter auf der einen Seite des Substrats ist elektrisch und mechanisch mit einem Kasten verbunden, der den Hohlraum bildet.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Faltdipolantenne vorzusehen, die wenigstens einige der vorhergehend erörterten Probleme mildert.
Gemäß einer Erscheinungsform der Erfindung wird eine Faltdipolantenne vorgesehen, die folgendes enthält: ein dielektrisches Substrat, das eine erste Oberfläche und eine zu dieser im wesentlichen parallele zweite Oberfläche bildet, ein Faltdipolelement auf der zweiten Oberfläche, das einen durchgängigen Dipolarm aufweist, der parallel zu einem ersten und einem zweiten, durch eine Erregungslücke getrennten Dipolarmabschnitt, angeordnet ist, ein auf der ersten Oberfläche angebrachtes Einspeiseelement, das fluchtend zur Erregungslücke angebracht ist und mit dem ersten oder dem zweiten Dipolarmabschnitt elektrisch verbunden ist, sowie eine Erdungsebene, dadurch gekennzeichnet, daß das Dipolelement zwischen dem Einspeiseelement und der Erdungsebene angeordnet ist und daß zwischen der Erdungsebene und dem Substrat ein dielektrisches Abstandsstück eingefügt ist, um die zweite Oberfläche des Substrats von der Erdungsebene elektrisch zu isolieren und das Substrat in einer Position zu halten, die sich in einem Abstand von der Erdungsebene befindet.
Die Erfindung sieht weiterhin einen Personenrufempfänger vor, der die vorhergehend erwähnte Faltdipolantenne zusammen mit einem die Empfängerschaltung umgebenden Gehäuse enthält, wobei die Faltdipolantenne an einer ersten Außenfläche des Gehäuses angebracht ist und wobei eine Hilfsantenne auf einer zweiten Außenfläche des Gehäuses befestigt ist.
Die vorhergehend erwähnten und weitere Merkmale der Erfindung sind in den beigefügten Ansprüchen in Einzelheiten ausgeführt und werden zusammen mit ihren Vorteilen durch die folgende detaillierte Beschreibung einer als Beispiel dienenden Ausführungsform der Erfindung deutlicher werden, die in bezug auf die begleitenden Zeichnungen gelesen werden sollte.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In Figur 1 ist ein Personenrufempfänger mit einer Faltdipolantenne dargestellt;
in Figur 2 ist die Mikrostreifenstruktur der Faltdipolantenne aus Figur 1 dargestellt;
in Figur 3 ist eine Ausgestaltung der Faltdipolantenne in näheren Einzelheiten dargestellt, wobei eine Querschnittsansicht gegeben ist, bei der das Gehäuse der Deutlichkeit wegen fortgelassen wurde;
Figur 4 ist eine teilweise als durchsichtig dargestellte Draufsicht einer erfindungsgemäßen Faltdipolantenne;
Figur 5a ist eine maßstäbliche Darstellung eines Faltdipol-Mikrostreifen-Schaltungselements;
Figur 5b ist eine maßstäbliche Darstellung eines Einspeiseleiter-Mikrostreifen-Schaltungselements; und
Figur 6 ist eine graphische Darstellung des Eingangswiderstands im Zentrum einer horizontalen Halbwellenlängenantenne als Funktion von deren Höhe über einer Erdungsebene.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In Figur 1 ist ein Personenrufempfänger mit einem erfindungsgemäßen Faltdipol-Antennensystem dargestellt. Der allgemein durch 10 bezeichnete Personenrufempfänger umfaßt eine Anzeige 20 sowie Eingabeschalter 30 zum Betätigen des Personenrufempfängers in einer Durchschnittsfachleuten wohlbekannten Art. Der Empfänger 10 ist innerhalb eines Gehäuses 40 angeordnet, wobei eine Seite eine Fläche zum Befestigen einer Mikrostreifenflecken-Hilfsantenne 50 aufweist. Das Gehäuse 40 weist weiterhin eine erste Stirnfläche auf, an der eine Faltdipolantenne 100 befestigt ist. Wie durch Figur 1 gezeigt ist, ist die Flecken-Hilfsantenne 50 dafür ausgelegt, ein Strahlungsmuster mit einer Orientierung E1 des elektrischen Feldes auszusenden, die senkrecht zur Orientierung E2 des elektrischen Feldes der Dipolantenne 100 steht. Durch diese Kombination von Antennen wird ein verbesserter Empfang von Personenrufsignalen verschiedener Polarisierungen und Einfallswinkel erleichtert. Bei einer als Beispiel dienenden Ausgestaltung (später in näheren Einzelheiten beschrieben) ist die Faltdipolantenne 100 dafür ausgelegt, bei einer Frequenz von 1542 MHz von einem Satelliten übertragene Personenrufsignale zu empfangen.
Wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist, ist die erfindungsgemäße Faltdipolantenne 100 unter Verwendung einer Mikrostreifenstruktur mit einer Antennenerdungsebene 110, einer Mikrostreifenschichtplatte 120 und einem dazwischen eingefügten Schaumstoffabstandshalter 130 verwirklicht. Die Antenne 100 wird im allgemeinen durch Ankleben der Erdungsebene 110, beispielsweise mittels eines heißschmelzenden Plastikklebers, am Gehäuse 40 angebracht. Die Erdungsebene 110 kann aus einer 0,5 bis 2,0 mm dicken Metalltafel hergestellt sein und weist einen äußeren Abschnitt 110a zur Verbindung mit einer Seitenfläche des Gehäuses 40 auf. Der Schaumstoffabstandshalter 130 kann beispielsweise aus Polystyrolschaum mit einer Dielektrizitätskonstanten von etwa 1,2 bestehen. Die Dicke des Schaumstoffabstandshalters 130 ist in Übereinstimmung mit der gewünschten Impedanz, typischerweise 50 Ohm, ausgewählt, die die Antenne 100 gegenüber einem Koaxialkabel 140 aufweisen sollte (Figur 2).
Wie in Figur 2 dargestellt ist, erstreckt sich das Kabel 140 von der Empfängerelektronik (nicht dargestellt) durch einen von der Erdungsebene 110 gebildeten Schlitz in den Schaumstoffabstandshalter 130. Wie nachfolgend beschrieben wird, sind der innere und der äußere Leiter des Koaxialkabels 140 mittels eines herkömmlichen Übergangs von einem Koaxialkabel zu einem Mikrostreifen mit an der oberen Fläche 142 bzw. der unteren Fläche 144 der Schichtplatte 120 angeordneten gedruckten Mikrostreifen-Schaltungselementen verbunden. Die Mikrostreifen-Schichtplatte kann beispielsweise eine von Rogers Corporation, Chandler, Arizona, hergestellte typischerweise 1 bis 2 mm dicke Duroid-Tafel oder eine ähnliche auf der Grundlage von PTFE hergestellte Mikrowellen-Leiterplatten-Schichtanordnung enthalten. Statt dessen können aus anderen Schichtmaterialien, beispielsweise Aluminiumoxid, bestehende Mikrostreifensubstrate verwendet werden.
In Figur 3 ist die Faltdipolantenne 100 in näheren Einzelheiten dargestellt, wobei eine Querschnittsdarstellung gegeben ist, aus der das Gehäuse 40 der Deutlichkeit wegen fortgelassen wurde. Wie in Figur 3 dargestellt ist, ist eine Einspeiseleitung 150 mit einem Mikrostreifen-Schaltungselement auf die obere Fläche 142 der Mikrostreifen-Schichtplatte 120 aufgedruckt. Weiterhin ist ein Mikrostreifen-Faltdipolelement 154 auf die untere Fläche 144 der Platte 120 aufgedruckt. In einer als Beispiel dienenden Ausführungsform erstreckt sich der Mittenleiter des Koaxialkabels 140 durch die Schichtplatte 120 hindurch und stellt einen elektrischen Kontakt mit dem Einspeiseleiter 150 her. In ähnlicher Weise stellt der äußere Leiter des Koaxialkabels 140 über die äußere Manschette eines Übergangs 158 von einem Koaxialkabel zu einem Mikrostreifen 158 einen elektrischen Kontakt mit dem Faltdipol 154 her.
Figur 4 ist eine teilweise als durchsichtig dargestellte Draufsicht einer Faltdipolantenne 100. Wie in Figur 4 dargestellt ist, weist das allgemein durch die unterbrochene Kontur 154 dargestellte Faltdipol-Mikrostreifenelement einen durchgängigen Arm 162 sowie einen ersten Armabschnitt 166 und einen zweiten Armabschnitt 170 auf. Der erste Armabschnitt 166 und der zweite Armabschnitt 170 bilden eine Erregungslücke G, über der sich der Einspeiseleiter 150 erstreckt. Der Faltdipol 154 erregt den Einspeiseleiter 150 bei der Verwendung über die Erregungslücke G, was dazu führt, daß der Empfangselektronik (nicht dargestellt) des Personenrufempfängers ein Erregungssignal über den Innenleiter 178 des Koaxialkabels 140 zugeführt wird. In dieser Hinsicht bildet der Faltdipol 154 eine Erdungsebene für den Einspeiseleiter 150 und befindet sich über eine Drahtverbindung 180, die sich durch die Mikrostreifenplatte 120 hindurch erstreckt, in direktem elektrischem Kontakt mit diesem.
Die Erdungsebene 110 (Figur 3) wirkt als Antennenreflektor, der das Muster der vom Faltdipol 154 ausgesendeten Strahlung ändert. Insbesondere richtet die Erdungsebene 110 das Strahlungsmuster in vom Empfängergehäuse 40 wegführende Richtungen um. Wenngleich es bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform erwünscht ist, das Strahlungsmuster in vom Empfängergehäuse 40 wegführenden Richtungen zu maximieren, kann es bei anderen Anwendungen gewünscht sein, daß die Faltdipolantenne in beide vertikalen Richtungen bezüglich des Faltdipols 154 zeigende Strahlmuster erzeugt. Es wird dementsprechend erwartet, daß die Dipolantenne bei solchen anderen Anwendungen ohne ein Erdungsebenenelement verwirklicht würde.
Die Mikrostreifen-Schaltungselemente des Faltdipols 154 und des Einspeiseleiters 150 können beispielsweise mittels einer Schichtplatte mit einem Paar kupferbeschichteter Oberflächen verwirklicht werden. Jede Oberfläche wird geätzt, um Kupferprofile zu erzeugen, die den Elementen des Faltdipols und des Einspeiseleiters entsprechen. Diese Elemente könnten statt dessen durch direktes Beschichten beider Seiten einer Schichttafel, beispielsweise mit Gold oder Kupfer, zur Bildung der geeigneten Mikrostreifen-Schaltungsmuster verwirklicht werden.
In den Figuren 5a und 5b sind die Mikrostreifen-Schaltungselemente des Faltdipols 154 und des Einspeiseleiters 150 maßstäblich dargestellt. In den Figuren 5a und 5b wurden die Abmessungen des Einspeiseleiters und des Dipols unter Annahme einer Betriebsfrequenz von 1542 MHz und einer Dielektrizitätskonstanten der Schichtplatte von etwa 2,3 ausgewählt. Die den Parametern der Länge (L), der Breite (W) und des Durchmessers (D) entsprechenden Abmessungen der in Figur 5 dargestellten Mikrostreifenelemente sind in der folgenden Tabelle ausgeführt. TABELLE 1
Es sei bemerkt, daß der Parameter D3 den Durchmesser der durch die Schichtplatte 20 gebildeten kreisförmigen Öffnung bezeichnet, durch die sich der Mittenleiter eines Koaxialkabels 140 erstreckt. In ähnlicher Weise entspricht der Parameter D2 dem Durchmesser eines kreisförmigen Bereichs des durchgängigen Dipolarms 162, von dem in der Nähe der mit D3 bezeichneten Öffnung die Kupferbeschichtung entfernt worden ist. Durch diese Beschichtungsentfernung wird die Entstehung eines elektrischen Kurzschlusses zwischen dem zentralen Koaxialleiter und dem Faltdipol 154 verhindert. Ein Endabschnitt des zentralen Koaxialleiters wird vorteilhafterweise nach dem Hindurchführen durch die Schichtplatte 120 und den Dipolarm 162 an den Mikrostreifen-Einspeiseleiter 150 angeschweißt.
Die Gesamtgröße der Dipolantenne kann so eingestellt werden, daß sie durch eine geeignete Auswahl des dielektrischen Materials zu den Abmessungen des Gehäuses des Personenrufempfängers paßt. Bei den in TABELLE 1 dargestellten Abmessungen der Mikrostreifenschaltung wird beispielsweise eine Ausgestaltung angenommen, bei der eine Duroid-Schichtplatte mit einer Dielektrizitätskonstanten von etwa 2,3 verwendet wird. Eine kleinere Faltdipolantenne könnte mittels einer beispielsweise aus einem dünnen Aluminiumoxidsubstrat bestehenden Schichtplatte verwirklicht werden.
Wiederum, auf Figur 3 Bezug nehmend, ist zu erkennen, daß der Abstand zwischen dem Faltdipol 154 und der Erdungsebene 110 durch die Dicke T des Schaumstoffabstandshalters 130 bestimmt ist. Die Dicke T und die Dielektrizitätskonstante des Schaumstoffabstandshalters 130 werden auf der Grundlage der gewünschten Impedanz, die die gefaltete Dipolantenne aufweisen sollte (beispielsweise sollte die Impedanz der Faltdipolantenne an die Impedanz des Koaxialkabels 140 von 50 Ohm angepaßt sein), ausgewählt. Wie nachfolgend beschrieben wird, wird gemäß einer Technik zur Bestimmung der geeigneten Dicke T des Schaumstoffabstandshalters 130 erwogen, die Eingangsimpedanz der Faltdipolantenne abzuschätzen. Eine solche Schätzung kann beispielsweise durch eine graphische Darstellung der Antennenimpedanz vorgenommen werden, wie sie in Figur 6 dargestellt ist.
Insbesondere ist Figur 6 eine graphische Darstellung der Impedanz einer horizontal über einer reflektierenden Ebene angeordneten herkömmlichen Halbwellen-Dipolantenne als Funktion des Freiraum-Wellenlängenabstands zwischen diesen. Wie in Figur 6 dargestellt ist, beträgt die Impedanz für große Abstände etwa 73 Ohm und beträgt weniger als 73 Ohm, wenn der Dipol in der Nähe einer reflektierenden Ebene (beispielsweise in einem Abstand von weniger als 0,2 Wellenlängen) und parallel zu dieser angeordnet ist. Ein Halbwellen-Faltdipol weist eine etwa vierfach höhere Impedanz auf als ein herkömmlicher Halbwellen-Dipol, der sich getrennt in einem gleichen Abstand von einer reflektierenden Ebene befindet. Daher ist der zum Erreichen einer Impedanz von 50 Ohm mit einem Faltdipol erforderliche Abstand zu dem äquivalent, der zum Erreichen einer Impedanz von 12,5 Ohm mittels eines herkömmlichen Halbwellen-Dipols erforderlich ist. Um Figur 6 zur Abschätzung der Impedanz eines durch einen dielektrischen Abstandshalter von einer reflektierenden Ebene getrennten Faltdipols zu verwenden, muß der Freiraumabstand um den Faktor 1/ &epsi; verringert werden, wobei &epsi; die Dielektrizitätskonstante des Abstandshalters bezeichnet.
Auf diese Weise wäre der zur Erreichung einer Impedanz von 50 Ohm für einen Halbwellenlängen-Faltdipol erforderliche Abstand unter Verwendung eines dielektrischen Raums mit einer Dielektrizitätskonstanten von etwa 1,2 in Übereinstimmung mit Fig. 6 etwa (1/ 1,2) x 0,075 Wellenlängen oder etwa 0,07 Wellenlängen. Es kann daher ein relativ dünner dielektrischer Abstandshalter verwendet werden.
Personen mit geeigneten Kenntnissen auf dem Fachgebiet werden erkennen, daß die Antenne, wenngleich sie für eine Verwendung mit einem Empfänger beschrieben worden ist, gleichsam zur Verwendung mit einer Antenne geeignet ist, da das Strahlungsnuster und andere Merkmale für das Senden und den Empfang gleich sind.
Wenngleich die vorliegende Erfindung, Bezug nehmend auf einige spezielle Ausführungsformen, beschrieben wurde, dient die Beschreibung der Erläuterung der Erfindung und sollte nicht als die Erfindung einschränkend ausgelegt werden. Der Schutzumfang der Erfindung ist durch die beigefügten Ansprüche festgelegt.

Claims

1. Faltdipolantenne mit

einem dielektrischen Substrat (120), das eine erste Oberfläche (142) und eine zu dieser im wesentlichen parallele, zweite Oberfläche (144) bildet,

einem Faltdipolelement (154) auf der zweiten Oberfläche (144), das einen durchgängigen Dipolarm (162) aufweist, der parallel zu ersten und zweiten, durch eine Erregungslücke (G) getrennten Dipolarmabschnitten (166, 170) angeordnet ist,

einem auf der ersten Oberfläche (142) fluchtend mit der Erregungslücke angebrachten Einspeiseelement (150), das mit einem der beiden ersten und zweiten Dipolarmabschnitte elektrisch verbunden ist, und mit

einer Erdungsebene (110),

dadurch gekennzeichnet, daß

das Dipolelement zwischen dem Einspeiseelement und der Erdungsplatte angeordnet ist, und das

zwischen der Erdungsplatte (110) und dem Substrat (120) ein dielektrisches Abstandsstück (130) eingefügt ist, um die zweite Oberfläche des Substrats von der Erdungsebene elektrisch zu isolieren und das Substrat in einer von der Erdungsplatte beabstandeten Lage zu halten.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einspeiseelement einen Mikrostreifen-Einspeiseleiter (150) aufweist.

3. Antenne nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein sich durch das dielektrische Abstandsstück (130) erstreckendes Koaxialkabel (140) vorgesehen ist, das einen mit dem Einspeiseelement (150) elektrisch verbundenen Mittenleiter (178) und einen mit dem Dipolelement (154) elektrisch verbundenen Außenleiter aufweist.

4. Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke des dielektrischen Substrats (120) derart bemessen ist, daß die durch die Antenne und das Koaxialkabel gebildete Impedanz etwa 50 Ohm beträgt.

5. Personensuchempfänger mit einer Faltdipolantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem die Empfängerschaltung umgebenden Gehäuse (40), wobei die Faltdipolantenne an einer ersten Außenfläche des Gehäuses angebracht ist, und wobei eine Hilfsantenne (50) auf einer zweiten Außenfläche des Gehäuses aufgebracht ist.